水洞沟水库二维水流运动数值模拟
水洞沟水库二维水流运动数值模拟
杨程;李春光;景何仿;吕岁菊
【摘要】In order to predict the sedimentation deposition in the Shuidonggou Reservoir in next few years, the flow in this reservoir is studied using a two dimensional (2-D) hydraulic mathematical model, and the governing equations are modeled with finite volume method (FVM) on unstructured grids. Using the measured data to verify the correctness of the model, and then the 2-D flow movement of several different conditions was simulated. The results show that: when the amount of the water inflow and with the same quantity of the water drawn are the same and unchanged, as the water level drops, water flow velocity increases in the reservoir;the water directly flows to the water intake point, gradually shift to the right bank deviation, and then shift to the left, gradually transformed along the left bank and flow to the intake;the recirculation zone on the left of the water intake point becomes smaller, and the effects of the influent on the right recirculation zone increases gradually. When the amount of the water inflow and quantity of water drawn are not the same and unchanged, as the water level drops, water flow velocity increases in the reservoir;the water directly flows to the tail dam, and then gradually to the right bank deviation, and the effects of the influent on the water intake point increases gradually. Through the simulation of different conditions, movement of the flow in the reservoir was obtained. Combined the measured sediment concentration of the water inlet and water intake,
the sedimentation deposition in the reservoir is analyzed and some management suggestions are put forward.%为了预测未来几年水洞沟水库的
冲淤情况，在考察库区水流运动规律的基础上，建立平面二维水流运动数学模型，采用非结构网格的有限体积法，利用实测流场数据验证了所建数学模型的正确性。采用该模型对不同工况下水洞沟水库的平面二维水流运动进行数值模拟。结果表明：当进水量与取水量相同且不变时，随着水位的下降，库区流速增大；进水直接流向取水口，然后逐渐向右岸偏移，再向左岸偏移，最后转变为贴着左岸流向取水口；取水口左侧回流区逐渐变小，右侧回流区受进水影响逐渐增大。当进水量大于取水量且不变时，随着水位的下降，库区流速增大，进水主流先向尾坝流动，逐渐偏移为向右岸流动，取水口附近流场受进水影响逐渐增大。通过对不同工况的水流运动数值模拟，得到库区水流运动基本规律，结合进水口、取水口泥沙含量实测数据对库区冲淤情况进行分析，并提出了一些水库运行管理的建议。
【期刊名称】《水利水电科技进展》
【年(卷),期】2013(000)006
【总页数】5页(P56-60)
【关键词】水洞沟水库;平面二维水流模型;非结构网格;有限体积法;数值模拟
【作者】杨程;李春光;景何仿;吕岁菊
【作者单位】北方民族大学土木工程学院，宁夏银川 750021;北方民族大学土木
工程学院，宁夏银川 750021;北方民族大学土木工程学院，宁夏银川 750021;北方民族大学土木工程学院，宁夏银川 750021
【正文语种】中文
【中图分类】TV145
水洞沟水库是内蒙古上海庙能源化工基地、宁夏红墩子能源化工基地供水工程调蓄水库,提供生产、生活用水。水库以黄河为取水水源,设计总库容为1039万m3。水库淤积与水库运行方式有着密切的关系,采用合理的运行方式可减少库区淤积量,从而延长水库的使用寿命。泥沙运动与水流运动有着密切的联系,所以应先弄清楚库区水流运动的规律。本文建立了平面二维水流数学模型,运用非结构网格有限体积法对多种工况下水库平面二维水流运动进行数值模拟研究,以期找到水库水流运动的规律,为进一步研究库区的泥沙运动打下基础。
沿水深平均的平面二维RNGk-ε紊流数学模型[1-4]包括连续性方程、x方向动量方程、y方向动量方程、k方程和ε方程,其通用方程为
式中:h为水深;Φ为通用变量;U为网格单元的流速矢量;ΓΦ为扩散系数;SΦ为源项;I 为紊动强度,一般可取为10％;Uin为进口断面平均流速,可根据流量与断面平均流速的关系计算得到;R为水力半径。其他物理量符号含义及其计算公式见文献[2]。模型采用格心格式的中心有限体积法离散,将变量存储在单元的中心,单元的边界为控制体。对式(1)在控制单元上求体积分并利用高斯定理将体积分转化为面积分: 式中:A为控制单元的面积;n为网格界面上的法向量。
通过构造辅助点,利用有限体积法可对式(4)进行离散,其中瞬态项和源项的离散与结构网格一样,即瞬态项采用向前差分,源项采用线性化处理,具体过程可参见文献[5]。单元面的各通量项的离散表达式及压力校正方程的离散参见文献[6]。
2.1 模拟区域及网格剖分
水库运行初期地形的详细描述见文献[7],水库的设计水位为1180m,本文选择1183m等高线作为计算边界,则模拟区域东西长约1.2km,南北宽约1 km。水洞沟水库的模拟区域及取水口、进水口等位置如图1所示。采用前沿推进法[8-9]在计算区域内生成三角形网格,共有3 567个节点,6 841个单元,如图2所示。
2.2 边界处理
进口边界给定流量;出口边界给定水位、流量;两岸边界按照无滑移的固定边界处理。动边界采用干湿边界[10-11]处理。
2.3 计算时间步长
为了保证计算时模型的稳定,时间步长的选取
需要满足CFL(courant friedrichs levy)线性稳定条件[12-13]:
式中:N为单元数;Ai为第i个单元的面积;λk为垂直于第k条边的特征值;Lk为第i
个单元的第k条边长;Cr为柯朗数,需满足Cr＜1,本文在计算中选取Cr＜0.8。
水洞沟水库目前的运行情况为:取水量1万m3/d,进水量60万m3/d。规划一期取水量20万m3/d,二期取水量40万m3/d,设计最高水位1 180 m。水库不同运行方式对水库淤积的影响不同,在不考虑蒸发的情况下,首先根据实测资料对建立的模
型进行验证,然后根据取水量与进水量是否相同,分别设计了几种不同运行工况,对这些工况下的流场进行模拟计算与分析。
当前水库运行情况为每天连续不定期进水,其中取水量为1万m3/d,进水量为60
万m3/d。进水第7天时测量流速,进水前初始水位为1 168 m,进水后水位为1174.4 m。
使用本文建立的平面二维水流数学模型进行数值模拟,以断面C01和断面S05为例(断面位置见图1),将断面垂向平均流速的模拟值与实测值进行对比,如图3所示。
由图3可知模拟值与实测值比较吻合,说明所建立的平面二维水流数学模型可用于
水洞沟水库平面二维水流运动数值模拟。
4.1 进水量与取水量相同
设计了3种取水量(进水量),分别为1万m3/d、20万m3/d和40万m3/d,其中
每种情况又设计了高、中、低3种运行水位,水位分别为1 179.0 m、1174.4 m和1 170.0 m。各工况详细参数如表1所示,流场如图4所示。
由图4可知:①当进水量和取水量均为1万m3/d 时,库区流速和进库泥沙量都非常小,故此时库区地形变化可以忽略;②在水位不变的情况下,随着进水量和取水量的增加,库区流速逐渐增加;③进水量和取水量相同且不变时,随着运行水位的下降,库区流速逐渐增大;进水形成的主流直接流向取水口,然后逐渐向右岸偏移,再向左岸偏移,最后转变为贴着左岸流向取水口;取水口左侧回流区逐渐变小,右侧回流区受进水影响逐渐增大。
4.2 进水量大于取水量
水库一期、二期取水量分别设计为20万m3/d 和40万m3/d,再根据进水量和进水后水位的不同分为6种工况。各工况详细参数如表2所示,流场如图5所示。由图5可知:①当进水量和取水量不变时,随着水位的下降,流速增大。水位不变时,随着进水量和取水量的增大,流速变大。②水位在1 179.0 m时,水流进入库区后很快偏向尾坝流动,随着进水量和取水量的增加,取水口右侧的回流区逐渐向主坝偏移,进水口主流上方的回流区逐渐变大。③水位在1174.4 m时,进水主流直接冲向右岸,并在水流的上下游各形成一个回流区,在此水位下随着进水量和取水量的增加,库区流速增大。
在进水口和取水口多次采集水样,分析得出进水口含沙量为1.031 kg/m3,中值粒径为18.28 μm;取水口含沙量为0.021 kg/m3,中值粒径为0.94 μm。
泥沙是随着水流运动而运动的,下面根据模拟得到的库区水流运动规律,结合实测泥沙数据对库区淤积情况进行分析,并提出运行管理建议。
a.进水量与取水量相同。当进水量和取水量均为1万m3/d时,流速非常小,故进库的泥沙绝大多数将沉淀在距进水口不远的地方。结合实测进口泥沙含量可知,此时进库泥沙量很少,故对库区地形的影响非常有限,几乎可以忽略。进水量和取水量增大,流速也增大,水流挟沙力也相应增大。水位在1179.0 m和1 170.0 m时,进水主流直接流向取水口:水位在1179.0 m时,主流与左岸有一定距离,结合实测取水口泥
沙含量可知,大多数泥沙将淤积在主流两侧的回流区及取水口右侧的回流区内;水位在1170.0 m时,取水口右侧回流区内将淤积。水位在1174.4 m时,随着取水量的增大,主流逐渐指向右岸流动;大颗粒泥沙将淤积在距进水口不远的库区,其余泥沙将主要淤积在主流和取水口附近的回流区内。
由于水洞沟水库的流速小于河道型水库的流速,进库的大颗粒泥沙将主要淤积在距进水口不远的库区,其余泥沙主要淤积在进水主流和取水口附近的回流区内;且由于进水对尾坝附近的影响较小,进水口以北的淤积量应大于进水口以南的淤积量;进水口附近两岸及库底、取水口下面的库底将被冲刷。
b.进水量与取水量不同。设计了两种水位,即1 179.0 m、1174.4 m。由模拟结果可知:水位在1179.0 m时,进水主流指向尾坝流动,此时对进水口和尾坝之间的流场影响较大,且由于取水量相对较大,故大部分泥沙将淤积在进水主流两侧的回流区内;水位在1174.4 m时,进水主流指向右岸流动,随着取水量的增大,进水口附近流场受取水的影响也增大,大部分泥沙将淤积在进水两侧的回流区附近,且由于受到取水的影响,进水口以北的淤积量应大于进水口以南的淤积量。
由以上分析,针对水库目前的运行情况以及一期、二期的设计情况提出以下运行建议:①对于目前情况,取水量只有1万m3/d,选择间隔进水方式,进水量可选择40万m3/d或60万m3/d,运行最高水位为1174.0～1175.0 m。由于进水量较大,可将泥沙尽量带向右岸,从而减少进水口和取水口附近的泥沙淤积量。②对于一期取水量(20万m3/d),可以根据黄河不同时期的含沙量设计选择进水时间,进水量选择60万m3/d,运行最高水位为1177.0m。可尽量使进水主流指向右岸或者主坝流动,从而使进库部分泥沙淤积在右岸附近。③对于二期取水量(40万m3/d),运行时无法间隔进水,考虑到黄河汛期泥沙含量较高,故可在含沙量高时采取进水量和取水量相同的方式,含沙量低时采取进水量大于取水量的方式。考虑到夏季降雨因素,可将运行水位控制在1179.0 m以内。
本文建立了平面二维水流数学模型,并利用实测库区流场数据对该模型进行验证,结果表明模型是合理的。运用该数学模型对多种工况下水洞沟水库的平面二维水流运动进行数值模拟,得到库区平面二维水流的运动规律,结合进水口和取水口泥沙含量的实测值,对库区泥沙冲淤进行分析并提出运行管理建议。
在本文的基础上,后续可进行以下研究:①增加泥沙模型对库区水沙运动的数值模拟研究;②根据数值模拟的结果,考虑取水量、蒸发量、泥沙含量、冬季结冰期等因素,对水库运行方案进行研究。
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3水洞沟水库大坝运行管理报告
陕西省府谷县水洞沟水库大坝运行管理情况报告 府谷县水利局 二ＯＯ九年三月
批准：闫宽良 核定：王英 审查：王英 校核：张亚军 编写：张亚军宋丽丽
目录 1概述 (1) 1.1工程概况 (1) 1.2目的和任务 (5) 1.3编制依据 (5) 1.4水文 (5) 1.5地质 (7) 1.6工程效益及保护范围 (7) 2工程设计及施工情况 (8) 3工程运行情况 (9) 3.1工程管理 (9) 3.2水库防洪调度运用情况 (9) 3.3 水库兴利调度 (10) 3.4水库应急预案 (10) 3.5大坝运行情况 (11) 3.6放水设施运行情况 (12) 3.7溢洪道运行情况 (13) 4大坝安全监测 (13) 5结论和建议 (13) 5.1结论 (13) 5.2建议 (14)
1概述 1.1工程概况 水洞沟水库位于府谷县城北部约34.5km处，坝址位于清水川流域小南川的支沟水洞沟沟口，控制流域面积约6.5km2，是一座以灌溉、拦沙为主、兼顾防洪、养殖等综合利用的小（1）型水库。 水库于1979年建成，至今运行30年。水库原设计总库容166万m3，有效库容99万m3，滞洪库容43万m3，死库容24万m3。正常蓄水位1288.94m，死水位1274.94m。原设计防洪标准为20年一遇设计，200年一遇洪水校核,82年水库“三查三定”确定的水库防洪标准为50年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核，82年已淤积库容12万m3，（2008年底淤积库容达到104.20万m3。）校核洪水位1291.94m。 水库枢纽工程由大坝、溢洪道、放水设施等组成。工程平面位臵示意图见图1-1、大坝横断面见图1-2。 1.1.1大坝 大坝为水坠均质土坝，最大坝高36m，坝顶高程1293.50m，坝顶宽7m，坝顶长140m，底宽167m。大坝上游坝坡在高程1257.94～1276.94m坡比为1：3，1276.94m以上为1：1.5，下游坝坡坡比为1:1.8，坝基设有截水槽，深1.0m、宽3.0m、边坡1：1.0。上、下游坝坡无砌护，坝后未设排水设施。截止2008年底水库淤积104.20万m3，现状坝前淤积面高程1287.15m。 1.1.2放水设施 水库放水设施位于大坝左岸，由放水卧管和涵洞组成。放水洞全长
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获取合适的数据，在MIKE中进行参数设置，编制河道数值模型，计算分析河道流量、水位、水温分布及泥沙运动情况。同时，MIKE能够非常精确地模拟出可能出现的洪水、水质污染 等情况，让决策者直观地感受到可能存在的风险，从而实施更有效的防治措施。 总之，MIKE数值模拟软件在河流一、二维数值模拟中具有广 泛的应用前景，为研究和解决河流问题提供了有力的技术支持。未来在使用MIKE进行数值模拟方面的研究还有待深入，同时 还需要不断探索在河流管理和保护中的新思路，为实现持续、健康、和谐的河流发展贡献力量 MIKE数值模拟软件在河流一、二维数值模拟中具有极大的优势，为河流治理和管理提供了重要的支持。通过精准的数值模拟，MIKE能够帮助决策者更好地了解河流的情况，判断可能 出现的风险，并采取有效的预防措施。未来，我们需要不断探索新的方法和思路，进一步完善MIKE数值模拟软件在河流管 理中的应用，为打造持续、健康、和谐的河流做出更大的贡献应用MIKE对河流一、二维的数值模拟2 应用MIKE对河流一、二维的数值模拟 随着城市化进程的加速和经济发展的不断推进，河流水文的研究越来越受到人们的关注。为了更好地维护和管理城市水资源，提高水资源的利用效率，各国的科学家和研究团队都在积极的研究河流流动的规律和模拟方法。模拟河流水流的方法有许多种，其中数值模拟是一种常用的方法，因为它不仅精度高，而且可以反映出不同水文作用对水流的影响，将水文水资源的处
防洪保护区水动力一二维精细化模拟模型及应用
防洪保护区水动力一二维精细化模拟模型及应用 张庆梓;刘小龙;陈俊鸿;彭思韦 【摘要】为准确合理地进行洪水演进模拟,完成防洪保护区的洪水风险图编制工作,本文建立了能够对防洪保护区溃堤洪水进行模拟的一、二维耦合水动力学模型.一维水动力学模型采用有限差分法求解,二维水动力学模型采用二维有限体积法求解浅水流方程组.模拟结果表明,与传统方法相比该模型能有效提高复杂区域内模型计算效率,所得信息可为防洪决策部门提供参考依据. 【期刊名称】《治淮》 【年(卷),期】2016(000)009 【总页数】3页(P19-21) 【关键词】水动力学;一、二维耦合模型;洪水风险分析;药湖联圩 【作者】张庆梓;刘小龙;陈俊鸿;彭思韦 【作者单位】河海大学南京 210098;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京 210029;河海大学南京 210098;河海大学南京 210098【正文语种】中文 水动力数值模拟技术可以广泛地应用于灾害预警、避险转移、洪水影响评价、洪泛区管理等方面，为相关部门提供有力的决策支撑。目前，一维动力学模型主要用于长河段的洪水演进预报，主要优点是可以快速、准确地模拟复杂河网的水位、流量过程，同时在处理河道上的一些建筑物（如闸门、泵站等）时非常灵活方便。但溃堤后的洪水具有明显的二维特性，对于防洪保护区，水流运动复杂，人工建筑物
（如房屋、道路等）常常改变水流流向，二维动力学模型更适宜进行此类复杂的水流运动模拟。相对于一维水动力学模型而言，二维水动力学模型能够提供更加丰富的计算信息，如洪水到达时间、淹没范围、淹没水深、淹没历时等。但二维水动力学模型也存在计算时间较长、对地形资料要求较高、在洪水风险图系统中数据调用效率较低等问题。对于解决具有多空间尺度的实际问题（如河道溃堤及溃堤水流演进问题），针对不同的研究区域，运用不同的数学模型，充分发挥模型各自的优势，满足实际需要与提高模型计算效率很有必要。 本文运用地理信息系统，整合防洪保护区地形、道路及建筑物等空间信息，建立基于防洪保护区一维河网模型与二维保护区模型一、二维水动力耦合模型，对道路进行抽稀处理后，将道路和堤防作为保护区内的挡水建筑物处理。将模型运用于药湖联圩防洪保护区的风险图制作中，能够合理反映保护区内人为设施对洪水演进的影响，使模拟结果更接近真实洪水运动情况。 2.1 研究区介绍 药湖联圩防洪保护区位于锦江下游南岸，江西省丰城市与南昌市新建区交界处，保护区面积166km2。保护区内河系众多，降水主要特点是降水量多、强度大、时 空分布不均、年际和季节分配上有明显的季节性和地区性的变化规律。区域内共有人口7.93万，耕地面积15.6万亩。区域内国内生产总值145627万元（工农业 生产总值56826万元，其中工业生产总值30742万元，农业生产总值15423万元）。 2.2 模型建立 2.2.1 河网模型 2.2.1.1 断面整理 河道断面是河网模型计算的最基本的单元，断面数据的准确性直接影响到模型计算结果的精确程度。根据掌握资料的不同，断面的处理按如下两种方式分别进行。对
基于数值模拟的湖库型景观水体生态设计方法研究——以MIKE 21模型在大官塘水库规划方案中的应用为例
基于数值模拟的湖库型景观水体生态设计方法研究——以MIKE 21模型在大官塘水库规划方案中的应用为例 周燕;冉玲于;苟翡翠;余洋 【摘要】以大官塘水库为例,应用MIKE 21水环境模拟软件,建立水体二维水动力和水质模型,模拟库区水流及水质条件,将数值分析结果转译为水环境景观设计的科学基础,提出强化库区水动力、提升水质的水域空间设计总体策略,并对规划方案进行定量评估.研究发现,通过调整水域空间形态、布设水工设施,可有效提升整体水动力水平;通过合理配置挺水、浮水和沉水植物,构建高效植物生态系统,可有效提升湖区水质,降低大官塘水库局部区域水质恶化的风险,从而实现水生态环境质量改善和景观效果提升的耦合统一.此次研究探索了水动力、水质数值模拟指导下集咸水景观空间规划与水生态修复技术的湖库型水体景观综合生态规划方法,可为今后类似的项目实践提供建设思路与经验参考.%This study took the Daguantang Reservoir as an example,two-dimensional hydrodynamic and water quality models were established by using MIKE 21 water environment simulation software to simulate the water flow and water quality conditions in the reservoir area.The numerical analysis results will be translated into the scientific basis of water environment landscape design,the overall strategy of water space design for strengthening the hydrodynamic and enhancing water quality was proposed,and the planning scheme was quantitatively evaluated.It is found that the water dynamics can be improved effectively by adjusting the water space form,and the layout of the hydraulic facilities.By rational allocation of water,floating water and submerged plants,an efficient plant ecosystem can be constructed,the water quality of
水利工程水力特性数值模拟研究
水利工程水力特性数值模拟研究 随着社会经济的发展，水利工程的建设和发展也越来越重要。水力特性是水利工程中非常重要的一部分，是评估水利工程运行情况和进行工程设计的关键因素。 水力特性指的是在一定条件下，流体在受力作用下满足质量守恒和动量守恒，流体运动状态的描述。水力特性包括水流速度、水压力、水流速度的分布、水位分布以及河床形态等等要素。 对于水力特性的分析和研究，可以使用数值模拟方法。数值模拟是通过数学公式和计算机模型来模拟物理系统运行的过程，以得出各种结果。 下面我们来具体介绍一下水利工程中水力特性数值模拟的研究。 一、数值模拟方法在水力特性研究中的应用 1. 二维数值模拟法 二维数值模拟法主要针对平面问题，能够模拟复杂的水流运动情况，例如研究两岸之间的水流速度分布，以及数值化处理液体的流动动力学问题。这种方法能够识别和分析区域的水流，预测水流的压力，以及考虑各种因素对水力特性的影响。 2. 三维数值模拟法 三维数值模拟法能够针对空间问题进行模拟，能够更加细致地记录水流的运动轨迹，它可以分析复杂的三维水流动态，还可以考虑到水流的压力，同时还能够对水流中的杂质、氧气及其它物质进行分析和预测。 通过数值模拟方法，可以预测出水力特性中的各种问题，比如水流速度在不同情况下的变化，水压力的分布，以及水流在各个地方的流动情况等。 二、数值模拟研究在水利工程中的应用
1. 水力特性的预测和分析 通过对水力特性进行数值模拟，可以在建设水利工程时预测水流的流动情况、 水位变化，计算水流的速度、方向和水量。同时，还可以获取水力特性的更多信息，如水流密度、流态转换、水力破坏等。 2. 解决问题和优化设计 数值模拟还可以解决实际工程中的问题，并且可以帮助优化设计。通过模拟和 比对实验，可以修复具体的破坏情况，包括河道水深、河床状况等各方面问题。此外，数值模拟还可以为工程优化提供方案，根据预测故障和流量变化，来调整水电站的工作状态。 三、数值模拟方法的发展趋势 1. 多项式规划技术的应用 采用多项式规划技术可以对各种条件下的水力特性进行计算，开发和利用这种 高级数学工具对于研究水利工程的水力特性具有重要意义。 2. 数据驱动模型的发展 数据驱动模型是通过收集大量实际数据来精确预测复杂的水力特性问题，将各 种变量整理到模型中做更好的数据分析和计算，进而建立分析和计算模型。这种方法可以提高模型的准确性和普适性，对于水利工程中的水力特性研究具有非常重要的意义。 3. 数值模拟方法在实际工程中的应用 随着数值模拟技术和水利工程的发展，将数值模拟技术应用于实际工程应用中，将会变得越来越广泛。数值模拟方法可以为水利工程选择和优化流量控制方案、协助流域水文模拟分析，也可以进行淤积、水泥流动和水质情况的模拟预测，对于工程建设和运行管理都有积极的促进作用。
洪水与风暴潮共同作用下的溃堤洪水一维、二维耦合模型及应用
洪水与风暴潮共同作用下的溃堤洪水一维、二维耦合模型及应 用 王秀杰;胡冰;苑希民;田福昌;秦旭东 【摘要】为了解决复杂条件下河道洪水漫堤、溃堤和潮水倒灌的问题,建立了在洪水和风暴潮共同作用下的天然河道漫溃堤洪水在防洪保护区的一二维水动力耦合模型.在兼顾计算效率和精度的基础上,分区剖分网格,设置合理的网格面积;根据植被和地物的不同,分区设置糙率;通过宽顶堰的方式将河道一维模型和防洪保护区二维模型进行侧向耦合;采用基于侵蚀的渐变溃破坏方式模拟河道溃堤过程,实现了河道上游发生洪水和下游遭遇外海风暴潮的复杂情况下精细化模拟.实例研究表明,所建模型可灵活处理复杂多变的水力条件,模拟结果合理可靠,可为防汛部门制定决策提供有力的科学依据.%In order to solve the problems of flood overflow,dam break,and back flow of tidal water in river channels in complex conditions,in this paper,we developed a one-and two-dimensional coupled hydrodynamic model to simulate the overflowing and dam-break flood from natural river channels under the joint action of flood and storm surge in a flood-control protection area.Taking into consideration both computational efficiency and precision,we generated grids of different zones,and set a reasonable grid area.According to different vegetation types and surface features,we set different roughness for different zones.We coupled the one-dimensional model of the river channel and the two-dimensional model of the flood-control protection area through the broad-crested weir,used the erosion-based gradual collapse method to simulate the dam-breaking process of the river channel,and realized fine
平面二维水流泥沙数值模拟
平面二维水流泥沙数值模拟 河流泥沙动力学研究。 666水科学进展第13卷 22y +U+V=-g- + t+ x y(3) 悬移质泥沙扩散方程 +U+V= +-(S-S)s*H x y Zb = (S-S*)22(4)(5)河床变形方程 式中U、V分别为垂线平均流速在x、y方向上的分量;Zs、Zb和H分别为水位、河底高程和水深;g为重力加速度; 为水的密度; y方向上的分量:( x、y分别为底部切应力在x、x; y)=U+V(U;V);C为谢才系数; t为水流紊动粘性系数,由零方程紊流模型确定;S和S*CH 分别为垂线平均含沙量和挟沙力; s为泥沙紊动扩散系数; 为泥沙沉速; 为床沙干容重; 为悬移质泥沙恢复饱和系数。 水流挟沙力和分组挟沙力级配采用李义天方法进行计算。 数值计算定解条件为:进口给定流量、含沙量及级配,出口给定水位。对固壁边界,取法向流速为0。初始时刻给出地形、水位、流速和含沙量等物理量的初始值。 2 有限元方程 为进行有限元计算,首先需对计算区域进行网格划分。模型基于波前推进法思想,建立了河道三角形网格自动剖分系统。即通过编制通用的程序,只需输入少量信息(边界线及地形),便可自动生成充满整个计算域的三角形网格,并配以自动绘图及屏幕显示。该系统能自动获得网格的节点坐标、高程及单元关联信息,从而解决了有限元计算前处理工作量大的困难。 整个计算域共划分为NE个单元,NP个节点,节点整体编号为i,i=1,2, ,NP。对水沙方程(1)~(4),用Calerkin加权余量法进行积分,将单元形函数
经整理得到如下有限元方程: Aij AijdZsjdt=-D1ij(HU)j-D2ij(HV)jdUj xj=-BijUj-gD1ijZsj-Aij- t(Cij+Eij)Ujdt(6)(7) (8) (9)代入积分方程,dVj yjAijdt=-BijVj-gD2ijZsj-Aij- t(Cij+Eij)VjAij 其中Aij= B2ijkdSj=-BijSj- Aij[(S-S*)/H]js(Cij+Eij)Sj- dt = dxdy , j ki j idxdy, Bij=B1ijkUk+B2ijkVk, B1ijk=Cij= k i jdxdy, i j i jdxdy,+ 第6期张细兵、殷瑞兰:平面二维水流泥沙数值模拟667 D1ij= i jdxdy, D2ij= i jdxdy, Eij= j j idx- idy 为形函数;i、j、k为节点整体编号。 3 数值解法 为便于书写,采用通用变量P来代替式(6)~(9)中的变量Zs、U、V 和S,用FP表示方程中等号右边项,并采用了质量集中的简化处理方法,即用对角矩阵A ij来代替Aij,则上述方程可化成如下统一的形式为dPj=FPi(10)dt 对式(10)的求解,模型采用了预估校正的时间推进算法,即用二阶显式Adams公式进行预A ij报,用隐式梯形公式进行校正,来构造Adams二阶PC公式。离散后的方程不需联接,计算过程稳定性好,时间步长可取得较长,同时还有效避免了数值振荡。 n+1*n tnn-1预报A ijPj=A ijPj+(3FPi-FPi)2 校正A ijPj n+1*n+1n+1**nnn+1*=A ijPj+2(FPi+FPi)(11)(12)n+1**为提高计算精度,可进行迭代Pi| ,则令Pi=Pi n+1n+1**:给定误差,对于所有的 1 i NP,若|Pin+1*-,否则令Pi=(Pin+1**+Pin+1*)/2;转到第二步校正,继续迭代,直到满足精度要求为止。当求出Hi、Ui、Vi和Si后,代入河床变形方程便可求得冲淤变
泥沙局部冲淤二维数值模拟仿真
泥沙局部冲淤二维数值模拟仿真 张芝永;拾兵 【摘要】为了更好地对河流、海洋的局部冲淤问题进行研究,在FLUENT中通过二次开发建立了泥沙局部冲淤二维数值模型.模型采用标准k-ε紊流模型来计算流场,通过自定义函数功能将泥沙输运模型嵌入到FLUENT中,床面地形的变化采用动网格技术来进行实现.通过2个算例对该模型的可靠性及通用性进行了验证.结果表明,该模型模拟结果与前人结果基本符合,模型的通用性较好.该模型可以应用于其他形式的局部冲淤数值模拟,具有广阔的应用前景.%In order to study the local erosion and deposition in a river or an ocean, a two dimensional (2-D) numerical model on local erosion and deposition is established through the redevelopment in FLUENT code. The flow field is calculated by applying standard equations. By using a user defined function, the sediment transport model is embedded into FLUENT and besides, the bed profile is simulated by utilizing a dynamic mesh. The study used two experiment cases to verify the reliability and universality of the scouring model. The research results show that the predictions from the model are in agreement with the prior results, and the scouring model is so universal that it may be used to simulate local scour in different cases. Therefore, it has a broad application prospect. 【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》 【年(卷),期】2013(034)002 【总页数】6页(P145-150)
西江金利镇段的水流-水质数值模拟研究
西江金利镇段的水流-水质数值模拟研究 曾俏俏;黄平;赵庄明 【摘要】建立了基于有限体积法的二维水流水质数学模型体系，并采用水位床底方程法（ Water Level bottom topography Formulation， WLF）处理底坡源项，保证计算格式的和谐性。将模型运用到西江金利镇段水流水质数值模拟中，模拟得到西江金利段水动力情况与实测值吻合度高，同时预测得到的污染物浓度较合理。模拟结果表明，有必要对金利镇生活污水及生产废水采取措施，加强区域环境管理，以保障该河段水质安全。%Based on the finite volume method ( FVM) , a mathematical model has been applied to solve the two -dimensional shal-low water equations and the convection -diffusion equation.Meanwhile, Water Level bottom topography Formulation (WLF) is ap-plied to deal with bed slope source term , making a well-balanced scheme .The model is used to simulate hydrodynamic situation and substance concentration of Xijiang River in Jinli , and show reasonable simulated result .It is shown that Jili town should strengthen regional environmental planning and management in order to protect the river 's water quality . 【期刊名称】《广东水利水电》 【年(卷),期】2014(000)004 【总页数】5页(P20-24) 【关键词】有限体积法;二维水流水质模型;复杂地形;西江金利镇段
平面二维水流-水质有限体积法及黎曼近似解模型
平面二维水流-水质有限体积法及黎曼近似解模型平面二维水流水质有限体积法及黎曼近似解模型 引言： 在水环境研究中，对于水流和水质模拟是非常重要的，这不仅可以帮助我们了解水体的流动特性，还可以预测和评估水质的变化和影响。在这篇文章中，我们将介绍平面二维水流水质有限体积法及黎曼近似解模型的原理和应用。通过理论阐述和实例分析，我们希望能够全面而深入地了解这两种模型的优势、限制和适用范围。 第一部分：平面二维水流水质有限体积法 1. 模型原理 平面二维水流水质有限体积法是一种基于物质守恒定律和动量方程的数值模拟方法。它将水流问题转化为有限体积内的水体加权平均值，并通过离散化和数值计算来解决。 2. 数学表述 该方法的数学表述包括质量守恒方程和动量方程。质量守恒方程描述了水体中物质的流动和浓度的变化，动量方程描述了液体的流动和流速的变化。 3. 优势和限制 平面二维水流水质有限体积法具有灵活性高、计算量小、数值稳定性好等优势。
然而，由于该模型是基于近似解法的，它在处理流体不连续性和复杂边界条件时存在一定的局限性。 4. 应用实例 平面二维水流水质有限体积法已被广泛应用于河流、湖泊、水库等水域的水流和水质模拟。通过该模型，我们可以预测和评估污染物的扩散和迁移，以及水体中溶解氧、氨氮、藻类等水质指标的变化趋势。 第二部分：黎曼近似解模型 1. 模型原理 黎曼近似解模型是一种基于黎曼问题理论的模型，它将水流问题转化为求解一组非线性偏微分方程的问题。在求解过程中，通过将问题分割成一个个宏观单元来近似求解。 2. 数学表述 该模型的数学表述包括守恒方程和状态方程。守恒方程描述了物质的流动和质量守恒，状态方程描述了物质的热力学性质和状态。 3. 优势和限制 黎曼近似解模型具有精度高、计算速度快、边界条件处理灵活等优势。然而，由于该模型需要求解多组偏微分方程，其计算量相对较大，不适用于大规模复杂水体的模拟。
水库水温计算方法综述
水库水温计算方法综述 摘要 水库水温分层及其低温下泄水造成的“冷害”是水电工程建设生态环境影响的重点关注问题之一，水库水温研究对于库区的生态环境保护具有重要的现实意义。本文介绍了主要的水库水温计算方法，回顾了国内外水温模型与软件的发展。最后，指出了当前水库水温计算中存在的问题和不足，结合已有的研究成果对水温数学模型的应用前景和发展趋势进行了展望。 关键词：水库；水温；计算方法；数学模型 ABSTRACT Water temperature stratification within reservoirs underflows and the “chilling injury”caused by the discharged low-temperature water flows pose one of the primary concern for both eco-environmental conservation and hydropower operation. It is therefore, study on impacts on eco-environmental from reservoirs underflows temperature appear to be practically useful. This paper mainly reviews the development in water temperature models and software in home and abroad, then examines the primary approaches for calculation of reservoir water temperature. Finally, the existing problems, application prospect and developing trend of thermal mathematical models are also pointed out. Key words:reservoir; water temperature; computing method; mathematical model
张峰水库输水二干管线工程重力流水力过渡过程的数值模拟
张峰水库输水二干管线工程重力流水力过渡过程的数值模拟 摘要:在供水工程中,当突然启动、停止或为调节流量而起用阀门时所产生的水锤压力往往较大,破坏性强,常造成意外损失。因此,对关阀水锤进行正确的计算分析,做出必要的防护措施尤为重要。本文以张峰水库输水二干管线工程为工程背景,进行重力流的水力过渡过程数值模拟,并对计算结果做出分析。 关键词:重力流;关阀水锤;调流调压阀 由于压力管路中流速的突然变化,引起管中水流压力急剧上升或降低的现象称为水锤或水击。水流是具有惯性的,在供水工程中,当突然启动、停止或为调节流量而起用阀门,都将使水流速度发生变化而产生惯性力,惯性力的大小等于水流质量m与加速度的乘积,方向与加速度方向相反。在出水管路中,这个惯性力就表现为水锤压力。突然启动、停止或为调节流量而起用阀门所产
生的水锤压力往往较大,一般可达正常压力的～4倍或更大,破坏性强,常造成意外损失。所以对关阀水锤必须进行认真分析,并做出 较精确的计算,以便采取必要的防护措施。 重力流水锤是在突然停电或者在阀门 关闭太快时,由于压力水流的惯性,产生水 流冲击波,就像锤子敲打一样,所以叫水锤。水流冲击波来回震荡产生的力,有时会很大,从而破坏阀门。当打开的阀门突然关闭,水 流对阀门及管壁,主要是阀门会产生一个压力,由于管壁光滑,后续水流在惯性的作用下,压力迅速达到最大,并产生破坏作用,这 就是水力学当中的“水锤效应”,也就是正 水锤。在长距离供水工程中必须考虑这一因素。相反,关闭的阀门在突然打开后,也会产生水锤,叫负水锤,也有一定的破坏力,但没 有前者大。水锤效应具有很强的破坏作用, 可导致管子的破裂或疮陷、损坏阀门和紧固件,为了消除水锤效应的严重后果,在管路 中需要设置一系列缓冲措施和设备。 通过计算机数值计算方法来模拟各种 工况条件下输水管路系统的水锤状况,包括
地下水运动的数学模型
第四章 地下水运动的数值模型 解析解虽然具有精确可靠的特点，但采用解析解反映自然状态和复杂人类活动干扰下的地下水运动是相当困难的。因此，当含水层的条件严重偏离现有解析模型的简化假设时，人们通过数值模型来获得近似的地下水流场及演变趋势。 第一节 地下水流数值方法概述 地下水流的数学模型采用偏微分方程描述地下水流的时间和空间连续状态，而数值模型则是采用离散（非连续）时空模型中水头的分布与演变对数学模型进行近似描述。从精确数学模型到近似数值模型的转化，虽然会损失一些精度，但使复杂地下水流问题的分析得以通过机械计算实现，而且误差也是可控的。 把偏微分方程求解的数值方法引入到地下水流问题的求解始于20世纪70年代，主要方法包括有限差分法、有限元法和边界元法，此后又发展了有限分析法、多重网格法和无网格法等。这些方法的共同特点是将模型空间及边界离散为由一系列的节点以及联系这些节点的单元（无网格法除外），含水层的水头在这些节点上定义，从而实现了水头分布空间连续函数向离散变量的转化，表示为 21 212111 22111221 202() 02()02()002(0)k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k f f f f a b c e x L x x t t t t f x f f f f a b c e x L x x t t f f f f a b c x L e x x d f df e e f a b f c x L dx dx t t f x u ---------∂∂-++=<<∂∂∆∆=-∂∂-++=<<∂∂∆∆∂∂=+ ++<<∂∂+-++=<<∆∆==，，，， {}(,,);1,2,3,,p H x y z H p M ⇒=⋅⋅⋅ （4.1.1） 式中；H 为含水层的水头；x 、y 、z 为空间坐标；p 为数值模型的节点；M 为节点的数目。与此同时，时间也被离散化为一系列具有先后顺序的时刻，不同时刻节点的水头分布方式也不同，每个时刻节点的水头分布结果总是由前一个时刻演变过来，即 {}{} 1 ;1,2,3,,;;;1,2,3,,;;k k k k k p p p M t t p M t t t H H +=⋅⋅⋅=→=⋅⋅⋅=+∆ （4.1.2） 式中：k 为时刻；t 为时间；k t ∆为时间步长。数值模型的核心部分，是在地下水流数学模型的基础上确定节点在流场中的相互关系，并形成如下形式的方程组 11111212,1,2,k k k k k p M p p p pp pM p M C C C C H H H H F +++++++⋅⋅⋅+==⋅⋅⋅⋅⋅⋅+（4.1.3） 式中：系数pL C 反映了节点P 与节点L 在流场中的关系，可称为关联系数；k p F 通常是由前一个时刻决定的常量。式（4.1.3）除包括地下水流控制方程的离散近似以外，还包括了边界条件的离散化处理。当k=0时，k p F 中包含了初始条件。如果模拟稳定流，则k p F 与时间无关，上标k 可以略去。使用矩阵符号，式（4.1.3）可缩写为